基于离散元的球磨机磨球运动规律的研究

发布时间：2017-07-03 05:00

  本文关键词：基于离散元的球磨机磨球运动规律的研究

  更多相关文章： 离散单元法 行星式球磨机 运动分析 粘结颗粒法 破碎区域

【摘要】：行星式球磨机所具有的高能量密度和应力强度,使它见诸于硬脆材料的超细磨、机械合金反应和机械化学反应等领域。然而,球磨仍存在低效,产品质量不稳定、介质和内衬磨损严重和物料过热等不足。因而,提升球磨机球磨效率和球磨质量有着重要意义。鉴于磨球作为球磨机和物料间能量传递的媒介,本文将基于现有行星球磨机,对其余两个主体分别做探讨。一为磨球运动规律,通过离散元仿真及数学分析研究磨球力学量、运动量和位置量的变化规律及之间联系。二为物料破碎,通过对物料破碎仿真过程的观察及对仿真数据和引用实验数据的分析,探讨物料破碎发生区域及其与磨球运动状态的联系。最后依据分析与试验对现有磨机系统进行改进设计以适应高效球磨的要求。文中首先简要介绍了离散单元法的相关概念及理论和仿真计算过程,此外,对离散元软件EDEM也作了相应陈述,为介质运动规律的研究和物理破碎仿真夯实基础。基于三点假设,在动力学框架下描述了磨球运动。为了深化对行星球磨机中磨球运动规律的认识,结合离散元仿真和数学分析研究了磨球运动量、力学量和位置量的变化规律。得出：磨球运动变化由罐底和罐壁接触产生,不存在贴壁运动；磨球跳动贯穿磨球运动全过程,由磨球角速度分量ωx、ωv产生并维持；磨球运动存在稳态,该稳态包括：相对位置的静止,磨球速度和角速度的周期性变化。对磨球稳态的进一步探讨发现：磨球运动中,平动速度起主导作用；罐壁作用下,磨球呈现近圆周运动,同时磨球相对磨罐作摆动运动；罐底作用将弱化磨球摆动运动的幅度,延长运动周期；磨球所受切向作用可改变磨球摆动平衡位置,切向作用的有限性使得该偏转存有相应极限值；磨球稳态时磨球相对磨罐作跳动运动。为了研究行星球磨过程中物料发生破碎的主要区域及其破碎机理,在离散元中探讨了不同粘结强度或速率比(k)时的粘结颗粒破碎情况,利用仿真信息绘制了黏结颗粒破碎区域等高线图并对其进行分析。结果表明：破碎发生的主要区域是罐壁区域,表明该区域存有最为强烈的磨球作用；速率比(k)决定碰撞破碎的发生和影响磨损破碎的强弱,但仿真中考虑的粘结键强度没有表现出对碰撞破碎的影响；仿真参数粘结颗粒与磨球的体积比影响物料破碎进程；结合仿真的实验数据分析表明较强的碰撞作用有利于物料的初始破碎和变形,为进一步的物料细磨打下基础；对于物料进一步细磨,再者是控制破碎—团聚动态平衡向有利于物料细磨方向偏移,磨损破碎发挥了主要作用且效果明显。为了实践上文所得出的结论,基于现有磨机电气系统设计了自调速控制系统。建立了磨机机械传动部分等效动力学模型及球磨机控制系统数学模型,并在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型,整定PID控制器参数并验证其有效性。对现有磨机电气控制部分进行改进以满足设计要求,并对相应的变频参数进行设定。
【关键词】：离散单元法 行星式球磨机 运动分析 粘结颗粒法 破碎区域
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.9
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 符号说明8-12
• 1 绪论12-18
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 理论分析与试验研究13-14
• 1.2.2 离散单元法的运用14-16
• 1.2.3 球磨机转速控制现状16-17
• 1.3 主要研究内容及论文构成17-18
• 2 颗粒离散元法18-32
• 2.1 离散单元法简介18
• 2.2 颗粒接触理论18-22
• 2.2.1 模型假设18-19
• 2.2.2 颗粒单元的属性19
• 2.2.3 软球模型19-22
• 2.3 接触模型22-25
• 2.3.1 Hertz-Mindlin无滑动接触模型23-24
• 2.3.2 Hertz-Mindlin粘结模型24-25
• 2.4 颗粒的运动模型25
• 2.5 离散单元法的求解过程25-28
• 2.5.1 颗粒接触判断25-26
• 2.5.2 时间步长的确定26-27
• 2.5.3 离散单元法中接触力的计算27-28
• 2.6 离散元仿真软件EDEM28-30
• 2.6.1 EDEM概述28-29
• 2.6.2 EDEM求解路线29-30
• 2.7 本章小结30-32
• 3 球磨机磨球运动规律的研究32-58
• 3.1 球磨机中磨球工作状态32-33
• 3.2 磨球运动理论分析33-37
• 3.2.1 磨球速度及加速度33-34
• 3.2.2 磨球的脱离速度及其加速度34
• 3.2.3 磨球碰撞位置34-36
• 3.2.4 磨球碰撞频率36-37
• 3.3 磨球运动的离散元分析37-57
• 3.3.1 仿真条件37
• 3.3.2 数学分析37-41
• 3.3.3 仿真结果与分析41-47
• 3.3.4 磨球准静态探讨47-57
• 3.4 本章小结57-58
• 4 球磨机中粘结颗粒破碎的数值试验58-76
• 4.1 引言58
• 4.2 仿真参数及数据处理方法58-62
• 4.2.1 离散单元法仿真参数58
• 4.2.2 行星球磨机模型58-60
• 4.2.3 粘结颗粒法60
• 4.2.4 粘结颗粒的形成60-61
• 4.2.5 粘结颗粒破碎区域统计61-62
• 4.3 结果与分析62-71
• 4.3.1 粘结键强度的影响62-65
• 4.3.2 不同速率比k的影响65-71
• 4.4 实验及其结果分析71-73
• 4.5 本章小结73-76
• 5 球磨机自调速系统设计76-94
• 5.1 引言76
• 5.2 行星球磨机基本结构及其电气控制原理图76-79
• 5.3 自调速控制系统主要构成79-84
• 5.3.1 三相异步电机79-81
• 5.3.2 变频器81-82
• 5.3.3 PID闭环速度控制82-84
• 5.4 行星球磨机调速系统传递函数的建立84-87
• 5.4.1 磨机机械传动部分等效动力学模型86-87
• 5.5 Matlab参数整定及仿真87-89
• 5.6 球磨机控制系统的实现89-92
• 5.6.1 硬件实现90
• 5.6.2 控制系统软件编程90-92
• 5.7 本章小结92-94
• 6 总结与展望94-96
• 6.1 全文总结94
• 6.2 展望94-96
• 致谢96-98
• 参考文献98-104
• 附录A 自定义颗粒工厂104-106
• 附录B 物料破碎区域统计及破碎区域等高线图绘制106-110
• 攻读学位期间发表的学术论文110-112

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